一种基于迭代计算的短波有效压制功率估计新方法

苑小华,罗武忠,郑 辉

(盲信号处理国家重点实验室,成都610041)

1 引 言

短波天波干扰具有隐蔽性好、安全性高的优点,一直是短波通信对抗的主要方式。通常对干扰发射功率的估算依靠经验公式,但由于其传输媒介电离层是时变参数的信道,对电波传播损耗估算与实际值存在较大偏差。为了保证干扰的可靠性,损耗常取最大值,干扰的发射功率远大于实际需要的功率。这种干扰功率的确定方法不但增加了干扰设备的负担,也增大了被跟踪定位的概率。

随着电离层探测技术的发展,有学者提出利用电离层探测设备探测干扰链路中点上空的电离层参数来估算传输损耗以提高估计精度。然而,电离层的不规则性使得由实测电离层参数计算的传播损耗仍有5 ～10 dB的误差,并且由于接收方通信信号场强未知,也无法准确估计有效压制所需要的功率。

本文提出的有效压制功率计算方法完全不同于链路损耗预算的方法,避免了链路预算中的不确定性。该方法利用短波通信系统的自适应调制(Adaptive Modulation,AM)和自动重传请求(Automatic repeat request,ARQ)机制,通过迭代干扰搜索有效压制功率。本文推导了算法的理论基础和迭代干扰的基本原理,并给出了半功率迭代干扰算法仿真结果。

2 有效压制功率的计算公式

在通信对抗系统中,当干扰目标位置和干扰样式确定后,干扰的有效压制系数Kj用场强表示为

式中,Es是通信信号的强度;Ej是干扰信号的强度,单位μV/m。所需要的干扰信号场强E′j为

对于天波干扰,信号场强的计算公式[4]为

式中, Pj是发射机的发射功率,单位kW;Gj是天线在干扰方向上的指向性增益,单位dB;Dx为经电离层反射的斜射距离,单位km;Li 是电离层的吸收损耗,单位是dB;Lg是地面反射损耗,单位是dB,天波干扰不考虑两跳(含)以上情况其值为0;Ly是额外损耗,单位dB,通常由电离层造成的无法准确测量的损耗在5 ～10 dB。

将式(3)代入式(2),推导有效压制功率lg Pj(单位dBW)的计算公式得

干扰样式确定后,通信系统的解调高于规定误码率的信干比门限是确定的,即有效压制系数Kj可以确定,Li、Dx在确定干扰目标位置后可以估算,Gj、Es、Ly完全未知,为保证干扰可靠只能按照最大值估算,使得干扰功率的估计值lg Pjlg Pj。

假设信号持续时间内电离层参数和通信信号接收场强是恒定不变的,则可以认为Es、Li、Dx、Gj、Ly是不变的,式(4)可简化为

式中,A、B 是常量,如果能够找出两对lg Pj和Kj组成一个方程组,就能正确求解A、B 的值。

令方差σ2=(lg Pj-lg Pj)2,可采用一维搜索的方法求出lg Pj,并代入式(5)求解A、B 。

3 针对AM 和ARQ的迭代干扰方式

AM 和ARQ 技术是短波通信中为了保证不同信道条件下通信质量而制定的传输控制技术,这两种机制的存在使得干扰中获得多个压制系数的值成为可能。

自适应调制技术根据信道质量自动选择调制方式、子载波路数、调制速率、编码方式等调制参数,控制传输速率以保证传输质量和可靠性。在采用自适应调制技术的短波通信系统中往往将传输速率分成若干等级,每个速率等级对应不同的调制参数,其正确解调所需要的信噪比门限不同。通信对抗中,对不同速率等级的数据传输有效压制系数也不同。

设速率等级Si对应的有效压制系数为Kj(Si),其中S i

时,通信方按照速率等级Si传输。

ARQ 技术是传输控制中通信双方的协商技术。短波通信中往往将一段报文分成若干个数据包分别传输,每传送完一包,接收方对接收情况(如信噪比、误码率等)进行评估,并将继续发送下一包、重传数据包、调整速率等级等信息反馈给发送方,如图1 所示。

图1 干扰方式示意图Fig.1 Jamming process

假设数据包0 按照速率等级Si传输,选择合适的干扰功率满足

干扰数据包0 的接收,接收方解调误码率高于门限则反馈信息要求以速率等级Si重发数据包0,获取该信息后, 干扰方降低发射功率满足P

通过有效功率搜索算法得到两组以上的Pj(Si)～Kj(Si),即可代入式(6)求得A、B 的值,进而求得最低速率等级对应的有效压制功率Pj(S0),即得到干扰的最小有效压制功率。

4 迭代计算的算法仿真

对最小有效压制功率的估计的关键是通过调整发射功率,根据目标反应,搜索干扰功率的门限值,搜索算法的性能影响了搜索的效率,本节采用半功率值迭代搜索算法,并对算法进行了仿真。

设每次发射的干扰功率为P ,初始功率增量为δ,算法流程如图2 所示。

图2 半功率迭代算法流程Fig.2 Half-power iterative algorithm flow

下面通过计算机仿真检验半功率迭代搜索算法的估计精度和收敛速度。

假设某自适应调制通信系统有4 个速率等级分别采用2 400 bit/s的BPSK、QPSK、8PSK、16QAM 调制方式,干扰信号采用高斯白噪声,经实验其速率等级和解调误码率门限对应的信干比如表1 所示。

表1 速率等级和解调误码率门限对应表Table 1 Speed level parameter

干扰信号采用高斯白噪声干扰。通信信号接收功率为-60 dBm,干扰信号传输损耗和增益之和为120 dB,设干扰功率的初始值为P =200 W和P =150 W,初始功率增量δ=50 W,设初始状态传输速率等级为2,精度设为1 W。功率搜索的仿真结果如图3 所示。

图3 半功率迭代算法仿真结果Fig.3 Simulation of half-power iterative algorithm

干扰功率初始值为P=200 W时,经过8 次搜索找到速率等级1 的有效压制功率229 W,再经过9 次找到速率等级2 的有效压制功率141 W;P =150 W时,经过9 次搜索找到速率等级1 的有效压制功率229 W,再经过9 次找到速率等级2 的有效压制功率141 W。将上述搜索结果代入式(7),计算得到干扰的最小有效压制功率值为对速率等级1 的有效压制功率值229 W。

仿真结果表明,半功率迭代算法通过有限次迭代可以很快收敛,得到的估计值接近实际有效压制功率。实际中为保证干扰的安全性,可以选用较小的初始功率。本算法以时间为代价换取估计精度,实际中可以通过牺牲估计精度来减少迭代次数,提高搜索效率。

5 结束语

本文提出的迭代干扰算法基于自适应调制机制中有效压制功率和压制系数间的线性对应关系,利用自动重传请求机制中的反馈信息作为迭代调整的依据,通过有限次迭代搜索获得有效压制功率的估计值。相比早期的估算方法,新算法避免了链路损耗估计中的诸多不确定因素,使得有效压制功率的估计精度大幅提高,满足了干扰系统保证干扰效果的同时合理控制发射功率的要求。同时,搜索过程不破坏链路,具有很强的隐蔽性。

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